Filtry elektryczne — definicja, klasyfikacja, charakterystyka, główne rodzaje

Przemysłowe źródła energii zapewniają praktyczność sinusoidalne krzywe napięcia… Jednocześnie w wielu przypadkach prądy i napięcia przemienne, które są okresowe, znacznie różnią się od harmonicznych.

Filtry elektryczne mogą być używane do wygładzania fal napięciowych w prostownikach, demodulatorach, które przekształcają modulowane amplitudowo oscylacje o wysokiej częstotliwości w stosunkowo powolne zmiany napięcia sygnału i innych podobnych urządzeniach.

W najprostszym przypadku można ograniczyć się do połączenia szeregowego z obciążeniem cewki indukcyjne, którego rezystancja wzrasta wraz ze wzrostem rzędu harmonicznych i jest stosunkowo mała dla oscylacji o niskiej częstotliwości, a tym bardziej dla składowej stałej. Bardziej efektywne jest stosowanie filtrów w kształcie litery U, T i L.

Podstawowe definicje i klasyfikacja filtrów elektrycznych

Selektywność filtra to jego zdolność do wybierania określonego zakresu częstotliwości właściwych dla użytecznego sygnału z całego spektrum częstotliwości prądów wchodzących na jego wejście.

Aby uzyskać dobrą selektywność, filtr musi przepuszczać prądy o częstotliwościach charakterystycznych dla pożądanego sygnału z minimalnym tłumieniem i mieć maksymalne tłumienie dla prądów przy wszystkich innych częstotliwościach. Zgodnie z tym filtrem można podać następującą definicję.

Filtr elektryczny nazywany jest urządzeniem czterobiegunowym, które przepuszcza prądy w pewnym paśmie częstotliwości z małym tłumieniem (szerokością pasma), a prądy o częstotliwościach poza tym pasmem — z dużym tłumieniem lub, jak się zwykle mówi, nie przechodzi (nie- pasmo transmisji).

Zgodnie ze strukturą obwodów filtry dzielą się na filtry łańcuchowe (kolumnowe) i mostkowe. Filtry łańcuchowe to filtry wykonane zgodnie z obwodami mostkowymi w kształcie litery T, P i L. Filtry mostkowe to filtry wykonane na obwodzie mostkowym.

W zależności od charakteru pierwiastków filtry dzielą się na:

• LC — którego elementami są indukcyjność i pojemność;

• RC — którego elementami są rezystancje czynne i pojemności;

• rezonator — którego elementami są rezonatory.

W zależności od obecności źródeł energii w obwodzie filtra są one podzielone na:

• pasywny — nie zawierający źródeł energii w obwodzie;

• aktywny — zawierający źródła energii w obwodzie w postaci lampy lub wzmacniacza kryształowego; czasami nazywane filtrami elementów aktywnych.

Do pełnego scharakteryzowania działania filtra konieczna jest znajomość jego charakterystyki elektrycznej, która obejmuje zależności częstotliwościowe tłumienia, przesunięcia fazowego i impedancji charakterystycznej.

Najlepszy jest filtr, który przy minimalnej liczbie elementów ma:

• maksymalna stromość charakterystyki tłumienia;

• wysokie tłumienie w paśmie nieprzepuszczalnym;

• minimalne i stałe tłumienie w paśmie przepustowym;

• maksymalna stałość impedancji charakterystycznej w paśmie przepustowym;

• liniowa odpowiedź fazowa;

• możliwość łatwej i płynnej regulacji pasma częstotliwości oraz jego szerokości;

• stałość charakterystyk niezależnych od: napięć (prądów) działających na wejściu filtra, temperatury i wilgotności otoczenia oraz wpływu zewnętrznych zaburzeń elektrycznych i magnetycznych;

• możliwość pracy w różnych zakresach częstotliwości;

• rozmiar, waga i koszt filtra muszą być ograniczone do minimum.

Niestety nie ma jednego podstawowego typu filtra, którego charakterystyka spełniałaby wszystkie te wymagania. Dlatego w zależności od konkretnych warunków stosuje się takie typy filtrów, których charakterystyka najlepiej odpowiada wymaganiom technicznym. Bardzo często konieczne jest zastosowanie filtrów do skomplikowanych obwodów składających się z elementarnych połączeń różnego typu.

Najpopularniejsze typy filtrów

na ryc. 1 przedstawia schemat prostego filtra w kształcie litery L z cewką indukcyjną L i kondensatorem C włączonym między odbiornik rpr a prostownik V.

Prądy przemienne przy wszystkich częstotliwościach napotykają znaczną rezystancję cewki indukcyjnej, a połączony równolegle kondensator przepuszcza prądy szczątkowe o wysokiej częstotliwości wzdłuż gałęzi równoległej. To znacznie zmniejsza tętnienia napięcia w obciążeniu. rNS.

Można również zastosować filtry składające się z dwóch lub więcej podobnych linków. Czasami zamiast cewek stosuje się proste filtry z rezystorami.

Ryż. 1.Najprostszy wygładzający filtr elektryczny w kształcie litery L

Bardziej zaawansowane są filtry rezonansowe, których używają zjawiska rezonansu.

Gdy cewka indukcyjna i kondensator są połączone szeregowo, gdy fwL = 1/(kwV), obwód będzie miał największą przewodność (aktywną) przy częstotliwości fw i dość duże przewodności w paśmie częstotliwości bliskim rezonansowi. Ten obwód jest prostym filtrem pasmowoprzepustowym.

Gdy cewka indukcyjna i kondensator są połączone równolegle, taki obwód będzie miał najniższą przewodność przy częstotliwości rezonansowej i stosunkowo niską przewodność w paśmie częstotliwości zbliżonym do częstotliwości rezonansowej. Taki filtr jest filtrem blokującym dla określonego pasma częstotliwości.

Aby poprawić działanie prostego filtra pasmowo-przepustowego, można zastosować schemat (ryc. 2), w którym cewka indukcyjna i kondensator są połączone równolegle do siebie równolegle do odbiornika. Obwód taki jest również strojony w rezonans z częstotliwością kóz i wykazuje bardzo dużą rezystancję dla prądów w wybranym paśmie częstotliwości i znacznie mniejszą rezystancję dla prądów o innych częstotliwościach.

Ryż. 2. Schemat prostego filtra pasmowoprzepustowego

Podobny filtr można zastosować w modulatorach wytwarzających modulowane oscylacje o określonej częstotliwości. Do modulatora M przykładane jest napięcie sygnału niskiej częstotliwości Uc, które jest przetwarzane na modulowane oscylacje wysokiej częstotliwości, a filtr oddziela napięcie od wymaganej częstotliwości, która jest podawana na obciążenie rNS.

Załóżmy na przykład, że przez obwód przepływa niesinusoidalny prąd przemienny i że bardzo duże prądy trzeciej i piątej harmonicznej mają zostać wyeliminowane z krzywej prądu odbiornika.Następnie naprzemiennie uwzględnimy dwa obwody dostrojone do rezonansu dla trzeciej i piątej harmonicznej w obwodzie (ryc. 3, a).

Impedancja lewej linii dostrojona do rezonansu dla częstotliwości 3W będzie bardzo duża dla tej częstotliwości i mała dla wszystkich innych harmonicznych; podobną rolę odgrywa prawy obwód dostrojony do rezonansu dla częstotliwości 5w... Dlatego krzywa prądu odbiornika wejściowego prawie nie będzie zawierała trzeciej i piątej harmonicznej (ryc. 3, b), które zostaną stłumione przez filtr.

Ryż. 3. Schemat z szeregowo połączonymi obwodami rezonansowymi dostrojonymi do rezonansu dla trzeciej i piątej harmonicznej: a — schemat obwodu; b — krzywe napięcia i obwodu oraz prądu wejściowego odbiornika

Ryż. 4. Krzywa napięcia wyjściowego filtra środkowoprzepustowego

W niektórych przypadkach wykonywane są bardziej wyrafinowane filtry środkowoprzepustowe, a także filtry odcinające, które przepuszczają lub nie przepuszczają oscylacji zaczynających się od określonej częstotliwości. Takie filtry składają się z połączeń w kształcie litery T lub U.

Zasada działania filtrów polega na tym, że w paśmie częstotliwości, na przykład filtra pasmowoprzepustowego, rezonans występuje przy częstotliwościach n + 1, gdzie n to liczba połączeń. Krzywą Uout = f (w) dla takiego filtru złożonego z trzech połączeń przedstawiono na rys. 4. Rezonans występuje przy częstotliwościach w1,w2, w3 i w4.

Zobacz też w tym temacie: Filtry zasilania IFiltry wejściowe i wyjściowe do przetwornic częstotliwości